气象干旱向水文干旱传递过程中干旱等级变化的定量评估

气象干旱向水文干旱传递过程中干旱等级变化的定量评估

世界干旱灾害频发，对人类社会产生了严重影响，并呈现发展趋势。干旱是源于长期降水不足引起的缺水现象，一般可划分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱本文以中国南方湿润区东江流域为例，基于不同干旱等级发生概率，构造干旱等级变化评估的概率矩阵，通过引入变化率乘子和变化程度乘子，评估不同干旱等级变化情况和干旱特征总体变化情况，以期为流域抗旱减灾过程中的干旱变化评估提供一种综合定量方法。1研究方法和数据1.1蒸散发对气象干旱的影响标准化降水蒸散指数(StandardizedPrecipitation-EvapotranspirationIndex,SPEI)是气象干旱评估常用指标，可反映降水因子及气温因子所体现的潜在蒸散发对气象干旱的综合影响目前在SPEI计算过程中，通常采用Log-logistic概率分布函数拟合降水与蒸散的差值系列，其中潜在蒸散量采用Thornthwaite法计算(1)式中：在SSI的计算过程中，则常采用Γ分布拟合径流量序列(2)式中：当得到降水量与潜在蒸散量的差值系列的概率分布函数后，对累积概率进行标准化转换(3)式中：基于干旱指数大小，干旱程度一般分为5个等级，即无旱、轻旱、中旱、重旱和极旱。为了量化干旱等级变化，可用量纲一数值1～5分别表示5个等级的干旱程度1.2干旱等级变化的概率矩阵与乘子法气象干旱向水文干旱传递过程中，由于受到下垫面影响，降水与径流的时空分布特征并不一致，体现在SPEI与SSI上存在差异，并最终反映在干旱等级上的变化。基于河川径流过程的水文干旱等级，由于人类活动特别是水库调节作用，改变了天然径流的时空分布，SSI也会发生变化，并最终反映在水文干旱等级的变化。变化特征的定量分析中，常采用变化率或变化系数来反映系列的变化情况。但是对于分等级事件来说，多个等级之间的相互变化，使得等级变化特征描述较为复杂。应用实践中，不仅关注等级事件系列的整体变化特征，也需要了解每一个等级的变化特征。为此，引入概率矩阵，以反映等级之间变化的发生概率。通过构造等级变化的概率矩阵，再引入反映不同变化特征的乘子，借助于矩阵运算来统一处理和量化等级的各种变化特征。已知等级变化前、后的干旱等级系列分别为式中：(5)式中：(6)实际上，概率矩阵令(式中：对于对于对于数值1和0分别表示等级上升或下降是否发生的判别，如对于中旱(等级为3)来说，其上升率、下降率和变化率的乘子，分别为[00011]对于所有等级变化的总体特征，有(11)式中：=此外，干旱等级变化会存在跨等级的跃迁现象，如无旱上升中旱，或者重旱下降为轻旱。因此，为了呈现等级的跃迁变化，可对等级差赋予不同权重，并定量评估等级变化的程度。令(式中：对于对于对于=如对于中旱(等级为3),其上升系数、下降系数和变化系数的乘子分别为[00012]对于所有等级变化的总体特征，有(17)式中：=上升系数1.3水文干旱指数变化东江流域位于珠江流域东部，控制站博罗水文站以上的集水面积为25325km本文收集了东江流域1956年4月—2019年3月共63a(水文年)的降水、气温和径流观测资料，以及流域三大水库建成运行后逐月入库和出库径流，并基于流域用水资料分析了耗水量。多站点降水和气温数据采用泰森多边形法，获得流域面降水系列和气温系列。基于博罗站径流实测数据，并还原三大水库径流调节量(入库与出库径流之差)和流域社会经济用水产生的耗水量，得到流域天然径流系列。只还原社会经济用水的耗水量，则认为是流域水库影响下的径流系列。东江流域降水系列和气温系列如图2(a)所示，天然径流序列、水库影响下的径流序列如图2(b)所示。需要特别说明的是，在计算基于水库影响下的水文干旱指数时，其径流系列的累积概率计算采用与天然径流系列相同的概率分布模型和参数。两者之间的干旱等级变化，更直观地反映了水库径流调节作用对水文干旱的影响。另外，为了讨论不同时间尺度下干旱变化特征，选取了月、季、年3个尺度，分别评估1—12月、春、夏、秋、冬和全年(水文年)的干旱等级变化。其中，考虑到东江流域水情特点2结果与讨论2.1水文干旱发生情况东江流域月、季和年尺度的气象干旱指数(SPEI)、基于天然径流的水文干旱指数(SSI)和水库径流调节作用下的水文干旱指数(SSI′)如图3所示，各尺度干旱等级发生概率如表2所示，各月、季的发生概率如图4所示。月尺度气象干旱发生了247个月，概率为0.327。其中，轻旱、中旱、重旱和极旱的概率分别为0.181、0.092、0.049和0.005。9—12月的气象干旱较为突出，发生的比例分别为46.0%、79.4%、61.9%和44.4%。基于天然径流的水文干旱发生了301个月，概率为0.398,其中，轻旱、中旱和重旱的概率分别为0.232、0.157和0.009,无极旱发生。水文干旱较为突出的时间是从11月份开始，持续到次年3月份，11—3月的水文干旱发生比例分别达到了81.0%、85.7%、88.9%、82.5%和63.5%。水库径流调节作用下的水文干旱发生了168个月，概率为0.222。其中，轻旱、中旱和重旱的概率分别为0.187、0.034和0.001,无极旱发生。11—3月的水文干旱发生比例，分别下降到41.3%、38.1%、47.6%、54.0%和41.3%。季尺度气象干旱发生了87季，概率为0.345。其中轻旱、中旱和重旱的概率，分别为0.158、0.151和0.036,无极旱发生。冬季气象干旱较为突出，干旱发生比例达到了82.5%,其中轻旱、中旱和重旱分别为31.7%、41.3%和9.5%。基于天然径流的水文干旱发生了110季，概率为0.437。其中轻旱、中旱和重旱的概率，分别为0.226、0.198和0.012,无极旱发生。其中，水文干旱较为突出的是冬季和春季，干旱发生比例分别达到了77.8%和87.3%。水库径流调节作用下的水文干旱发生了71季，概率为0.282。其中，轻旱、中旱和重旱的概率分别为0.238、0.040和0.004,无极旱发生。冬季和春季水文干旱各自发生比例，分别下降到42.9%和61.9%。年尺度气象干旱发生了22a,概率为0.349。其中轻旱、中旱和重旱的概率，分别为0.206、0.127和0.016,没有极旱发生，重旱发生在1963年。基于天然径流的水文干旱发生了17a,概率为0.270。其中轻旱、中旱、重旱和极旱的概率，分别为0.095、0.127、0.032和0.016,2004年和2009年由中旱上升为重旱，1963年由重旱上升为极旱。水库径流调节作用下的水文干旱发生了17a,概率为0.270。其中轻旱、中旱、重旱和极旱的概率，分别为0.127、0.095、0.016、0.032,2009年和1963年分别维持重旱和极旱，2004年由重旱上升至极旱。总体而言，气象干旱在10月前后较为突出，这与东江流域降水年内分布规律较为符合。其中10月的气象干旱最为严重，这是由于降水偏少的同时，气温也相对较高，潜在蒸散发量大，气温与潜在蒸散发量的差值最小。水文干旱在非汛期(冬季和春季)较为突出，这与东江流域径流年内分配规律较为一致。干旱较为突出的年份为1963年、2004年与2009年，这与文献记载2.2对干旱从流畅性和水文干旱地区转移的干旱程度的变化2.2.1干旱等级上升气象干旱向水文干旱传递过程中干旱总体变化率见表3,各干旱等级上升率及下降率如图5。月尺度干旱等级上升率为28.0%,下降率为19.7%,总体变化率为47.7%。4—6月的干旱等级变化不明显；7—10月的干旱等级变化以下降为主，下降率分别为39.7%、34.9%、42.9%和74.6%;11—3月的等级变化以上升为主，上升率分别为31.8%、66.7%、90.0%、77.8%和61.9%。干旱等级上升主要表现在无旱和轻旱的变化，如11—3月，无旱上升率为24%、43%、62%、67%和57%;12—2月，轻旱上升率分别为24%、19%和10%。干旱等级下降主要表现在轻旱和中旱的变化，如7—10月，轻旱下降率分别为14%、19%、17%和13%;7—11月，中旱下降率为13%、10%、17%、25%和16%;另外，10月份重旱和极旱的下降率也分别达到了35%和2%。季尺度干旱等级上升率为26.2%,下降率为20.6%,总体变化率为46.8%。夏季干旱等级变化甚小，秋季和冬季干旱等级变化以下降为主，春季干旱以上升为主。其中，夏季轻旱、中旱和重旱的下降率分别为14%、16%和5%,冬季轻旱、中旱和重旱的下降率分别为13%、24%和10%,春季无旱和轻旱的上升率分别为71%和16%。年尺度干旱等级上升率为19.0%,下降率为15.9%,总体变化率为34.9%。其中，无旱、轻旱、中旱和重旱的上升率分别为6%、8%、3%和2%,轻旱和中旱的下降率分别为9%和6%。总体而言，气象干旱等级在秋季及10月主要表现为下降至较低的水文干旱等级，在12月及春季则相反。换言之，气象干旱通常早于水文干旱发生，这与降雨径流过程有关，其中需要经过坡面汇流、河网汇流等环节，导致水文干旱通常滞后于气象干旱2.2.2干旱等级变化程度气象干旱向水文干旱传递过程中干旱总体变化系数见表3,各等级上升系数和下降系数如图6。月尺度干旱等级上升系数和下降系数分别为0.374和-0.332,总体变化系数为0.042,表明干旱等级总体略有上升。7—10月干旱等级下降系数相对较大，分别达到了-0.810、-0.540、-0.730和-1.429。其中10月份干旱等级下降程度最大，主要表现为中旱和重旱的变化，下降系数分别为-0.40和-0.87。12—3月干旱等级上升系数相对较大，分别达到了0.825、1.063、1.190、0.841,变化程度均接近1个等级，主要表现为轻旱的变化，上升系数分别为0.59、0.86、1.06和0.78。季尺度干旱等级上升系数为0.369,下降系数为-0.278,总体变化系数为0.091,表明总体干旱程度略有上升，但变化程度甚小。秋季和冬季干旱程度下降较为明显，变化程度分别为-0.556和-0.349。春季干旱程度显著上升，变化程度为1.286,超过了1个等级。年尺度干旱等级上升系数为0.206,下降系数为-0.206,总体变化系数为0,表明总体干旱程度不变。其中，无旱、轻旱、中旱和重旱的上升系数分别为0.08、0.08、0.03和0.02,轻旱和中旱的下降系数分别为-0.10和-0.11。2.3影响水库流量调节的水文干旱度变化的评价2.3.1干旱等级变化情况水库影响下水文干旱总体变化率见表3,各等级上升率和下降率如图7。月尺度水文干旱等级上升率较小，为1.9%;主要以下降为主，下降率为30.7%;总体变化率为32.6%。11—3月干旱等级变化率较大，分别为58.6%、72.4%、70.7%、72.4%和55.2%,其中下降率分别为56.9%、72.4%、69.0%、69.0%和48.3%。干旱等级下降主要表现在轻旱和中旱的变化，11—3月的轻旱下降率分别为41%、36%、31%、19%和24%,中旱下降率分别为16%、36%、36%、48%和21%。季尺度干旱等级变化基本为下降，下降率为32.8%,总体变化率为33.2%。冬季和春季的干旱等级变化率分别为56.9%和70.7%,均是下降变化。干旱等级下降主要表现为轻旱和中旱的变化，其中冬季分别为34%和21%、春季分别为17%和52%。年尺度干旱等级上升率为5.2%,下降率为6.9%,总体变化率为12.1%。其中，无旱和重旱的上升率分别为3%和2%,轻旱和中旱的下降率均为3%。总体而言，月尺度和季节尺度干旱的下降率均超过30%,干旱等级下降明显，尤其表现为枯水期(秋季、冬季)的等级下降显著。而年尺度干旱等级下降率仅为6.9%,干旱等级下降不明显。东江流域三大水库主要改变了流域径流年内变化2.3.2干旱等级变化水库影响下水文干旱总体变化系数见表3,各等级上升系数和下降系数如图8。月尺度干旱等级上升系数较小，为0.019;主要以下降为主，下降系数-0.361;总体变化系数为-0.342,表明水库影响下的月尺度水文干旱有所缓解。11—3月干旱等级下降明显，变化系数分别为-0.586、-0.879、-0.828、-0.828和-0.483,其中12—2月干旱等级下降程度接近1个等级，分别为-0.879、-0.845和-0.862。干旱等级下降主要表现在轻旱和中旱的变化，11—3月的轻旱下降系数分别为-0.41、-0.36、-0.31、-0.19和-0.24,中旱下降系数分别为-0.19、-0.52、-0.52、-0.64和-0.24。季尺度干旱等级变化基本为下降，下降系数为-0.362,总体变化系数为-0.358,表明水库影响下的季尺度水文干旱有所缓解。冬季和春季的干旱等级变化系数分别为-0.603和-0.810,均是下降变化；其中春季干旱等级下降程度接近1个等级。干旱等级下降主要表现为轻旱和中旱的变化，其中冬季分别为-0.34和-0.24、春季分别为-0.17和-0.62。年尺度干旱等级上升系数为0.052,下降率为-0.069,总体变化系数为-0.017,表明水库对年尺度水文干旱影响不大。其中，无旱和重旱的上升系数